CN116695250A - 一种液相法生长碳化硅单晶的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液相法生长碳化硅单晶的装置，包括生长坩埚、籽晶杆、感应加热装置和可提供生长原料的物料块；生长坩埚包括坩埚主体和坩埚盖，坩埚主体装盛有生长原料，坩埚盖具有开口，籽晶杆用于固定籽晶的一端通过开口伸入坩埚主体内部；所述物料块的密度小于液态的生长原料的密度，所述物料块浮在液态的生长原料液面。本发明中的装置能够缩短供碳距离，并为碳化硅单晶生长过程提供充足且长时间稳定的碳源，大幅度地减少包裹物的产生，有效提高了单晶生长质量，同时还有效地抑制了坩埚壁被熔穿，防止了助溶液泄漏影响温场、甚至损毁单晶炉的情况发生。

Description

一种液相法生长碳化硅单晶的装置

技术领域

本发明属于碳化硅单晶生产技术领域，尤其涉及一种液相法生长碳化硅单晶的装置。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料之一，其具有宽禁带、高临界击穿场强，高饱和电子漂移速率等优点，使其成为制造高温、高频、高压以及大功率器件的理想材料，目前已广泛应用在轨道交通、新能源汽车、5G通讯、航空航天等众多领域。

对于碳化硅单晶生长技术，稳定的碳源供应是生长的核心关键因素。尤其当采用液相法进行碳化硅单晶生长时，如果不能保证充足的碳供应，晶体生长时会出现助溶液包裹、晶体开裂等问题。

液相法生长碳化硅单晶的技术是通过对流传质及扩散传质两者共同作用进行碳元素的传输供应，其中对流传质包括籽晶旋转产生的强制对流配以生长体系内浓度差造成的自然对流共同作用，而扩散传质主要是晶体生长固液界面处的碳源扩散作用。但该液相法生长碳化硅单晶方式伴随晶体生长，由于生长坩埚表面的碳元素消耗，致使供碳位置距离生长位置越来越远，扩散传质作用减弱，难以保证晶体生长时所需要的碳元素的充足供应，进而出现助溶液包裹、晶体开裂等缺陷问题，影响晶体质量，导致晶体生长质量变差，其次该种方式在长时生长时，作为碳源的生长坩埚(石墨坩埚)，随生长的进行逐渐消耗，或会造成生长坩埚的熔穿，溶液流入炉内从而损毁单晶炉，影响实验的进行造成较大经济损失。

因此，非常有必要提供一种新的液相法生长碳化硅单晶的装置。

发明内容

为了解决现有技术存在的一个或多个技术问题，本发明提供了一种液相法生长碳化硅单晶的装置。本发明中的装置在液相法生长碳化硅单晶过程中首先缩短了供碳距离且能保证供碳距离不变，其次能够为碳化硅单晶生长过程提供充足且长时间稳定的碳源，大幅度地减少包裹物的产生，有效提高了单晶生长的质量，同时还有效地抑制了坩埚壁被熔穿，防止了助溶液泄漏影响温场、甚至损毁单晶炉的情况发生，进而提高了单晶生长实验的重复性、稳定性，实现长时间生长减少坩埚壁的厚度，节约成本。

本发明提供了一种液相法生长碳化硅单晶的装置，所述装置包括生长坩埚、固定有籽晶的籽晶杆、用于加热的感应加热装置和可提供生长原料的物料块；所述生长坩埚包括坩埚主体和坩埚盖，所述坩埚主体装盛有生长原料，所述坩埚盖具有开口，所述籽晶杆固定有籽晶的一端通过所述开口伸入所述坩埚主体的内部；所述可提供生长原料的物料块的密度小于液态的生长原料的密度，所述可提供生长原料的物料块浮在液态的生长原料液面。

优选地，所述可提供生长原料的物料块为碳化硅块。

优选地，所述可提供生长原料的物料块为供碳用石墨块。

优选地，所述供碳用石墨块为环形供碳用石墨块；所述环形供碳用石墨块紧贴所述坩埚主体的内壁设置，或者所述环形供碳用石墨块的外径略小于所述坩埚主体的内径。

优选地，所述装置还包括石墨块连接件；所述坩埚主体的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽，所述石墨块连接件的一端设置有圆环，所述圆环卡设在卡槽中，所述石墨块连接件的另一端连接有供碳用石墨块，所述供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料的密度，所述供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面。

优选地，所述石墨块连接件贴着所述坩埚主体的坩埚壁设置；和/或所述圆环能在卡槽中上下移动。

优选地，所述石墨块连接件和所述圆环采用的材质均为石墨。

优选地，所述籽晶杆未固定有籽晶的一端连接传动装置，所述传动装置用于控制所述籽晶杆的升降和旋转。

优选地，所述生长原料包含硅和金属原料，所述金属原料为Al、Ti、Cr、Fe、Y、Yb、Pr、La、Cu、Ce、Sn、Ge、Co中的一种或多种。

优选地，所述坩埚主体的坩埚壁厚度为10～30mm，所述坩埚主体底部的厚度为15～40mm；在所述坩埚主体的坩埚壁顶部，开设所述卡槽的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离为2～5mm；所述卡槽的深度为10～50mm。

优选地，所述卡槽环设在所述坩埚主体的坩埚壁内；所述卡槽为环形卡槽，所述石墨块连接件为环形石墨块连接件，所述供碳用石墨块为环形供碳用石墨块。

优选地，所述供碳用石墨块的厚度为10～30mm，所述供碳用石墨块的宽度为10～30mm。

优选地，在所述坩埚主体的坩埚壁的径向方向上开设有两个相对称的卡槽；所述供碳用石墨块的数量为两块；所述石墨块连接件的数量为两个。

优选地，所述供碳用石墨块的厚度为10～30mm，所述供碳用石墨块的宽度为10～30mm，两块所述供碳用石墨块的长度之和小于所述坩埚主体内径与所述籽晶的直径之差。

优选地，所述生长坩埚与所述感应加热装置之间设置有保温层。

优选地，所述保温层包括位于所述生长坩埚上方的上保温区域、位于所述生长坩埚四周的外围保温区域以及位于所述生长坩埚下方的下保温区域；所述上保温区域设置有与所述坩埚盖的开口相对应的通孔，所述通孔用于供籽晶杆通过。

优选地，通过改变所述外围保温区域的外形实现对液相法生长碳化硅单晶的温场的控制。

优选地，所述外围保温区域的外形为圆筒形、正圆台形或倒圆台形。

优选地，当所述外围保温区域的外形为正圆台形时，增加所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而增加碳化硅单晶的生长速度，从而提高晶体产能。

优选地，当所述外围保温区域的外形为倒圆台形时，减小所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而减小碳化硅单晶的生长速度，从而提高晶体质量。

本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

(1)本发明中的装置包括可提供生长原料的物料块优选为供碳用石墨块，所述供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料的密度，因为供碳用石墨块的密度较小，所述供碳用石墨块可以浮在液态的生长原料液面，可以为碳化硅单晶生长过程提供碳源，但供碳用石墨块的位置稳定性相对较差，导致作为碳源供应的稳定性相对较差；本发明优选的是所述装置包括供碳用石墨块和石墨块连接件，并通过坩埚壁卡槽的设置可以使供碳用石墨块通过石墨块连接件贴着坩埚壁上下移动，供碳用石墨块设置稳定性好，并且由于供碳用石墨块采用石墨材质，具有低密度特性，密度小于生长原料的密度，使其可在长时生长过程中一直悬浮(漂浮)在生长原料溶液表面，而该表面即为生长界面，从而为碳化硅单晶生长提供了充足且稳定的碳源，且在该生长界面处，随着长晶过程的延长，供碳用石墨块仅是在与生长原料溶液液面相接触的位置变薄，其它设置无变化，能够保证碳化硅单晶长时生长过程中供碳距离不变，使得碳化硅长晶更加稳定，提高了碳化硅单晶生长质量，并抑制坩埚被熔穿的现象发生。

(2)本发明中的装置优选为所述供碳用石墨块通过石墨块连接件与卡槽可以长时稳定地贴着坩埚内壁浮在生长原料的液面，相比增厚石墨坩埚的坩埚壁厚度或者直接加入碳粉或者将石墨材质伸入生长原料溶液内部的供碳设置，本发明中的装置包括的供碳方式设置稳定，不存在会对生长体系内的对流产生影响的问题，不会出现由于影响对流而导致影响长晶质量的问题，也不会由于增加壁厚从而提高成本，本发明中的装置不仅仅是起到了提供充足的碳源的作用，更是可以缩短供碳距离且保证供碳距离不变，既保证了扩散传质的供碳量，又不会对生长体系内的对流产生影响，长晶更稳定，是一种非常稳定的供碳装置。

(3)本发明中的装置在液相法生长碳化硅单晶过程中首先缩短了供碳距离且能保证供碳距离不变，其次能够为碳化硅单晶生长过程提供充足且长时间稳定的碳源，大幅度地减少包裹物的产生，有效提高了单晶生长的质量，同时还有效地抑制了坩埚壁被熔穿，特别是有效地抑制了生长原料溶液表面处坩埚壁被熔穿的情况发生，防止了助溶液(生长原料)泄漏影响温场、甚至损毁单晶炉的情况发生，进而提高了单晶生长实验的重复性和稳定性。

附图说明

本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部分的比例、大小与数量等不一定与实际产品一致。

图1是本发明一些具体实施方式中提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的结构示意图；

图2是本发明另一些具体实施方式中提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的结构示意图；

图5是本发明实施例3提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的结构示意图；

图6是本发明实施例1得到的碳化硅单晶的外形图；

图7是本发明实施例2得到的碳化硅单晶的外形图；

图8是本发明实施例3得到的碳化硅单晶的外形图；

图9是本发明实施例1～3提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的温度梯度曲线；图9中，(a)为实施例1提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的温度梯度曲线，(b)为实施例2提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的温度梯度曲线，(c)为实施例3提供的液相法生长碳化硅单晶的装置的温度梯度曲线；

图10是采用本发明对比例1中的装置进行液相法生长碳化硅单晶之后，石墨坩埚在生长界面区域熔穿的示意图；

图11是本发明对比例1得到的碳化硅单晶的外形图。

图中：1：生长坩埚；1-1：坩埚主体；1-2：坩埚盖；2：籽晶杆；3：籽晶；4：感应线圈；5：卡槽；6：供碳用石墨块；7：石墨块连接件；8：圆环；9：生长原料；10：保温层；10-1：上保温区域；10-2：外围保温区域；10-3：下保温区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种液相法生长碳化硅单晶的装置，例如，如图1所示，所述装置包括生长坩埚1、固定有籽晶3的籽晶杆2、用于加热的感应加热装置和可提供生长原料的物料块；在本发明中，所述可提供生长原料的物料块例如可以为碳化硅块、供碳用石墨块或其它可提供生长原料的物料块；所述生长坩埚1包括坩埚主体1-1和坩埚盖1-2，所述坩埚主体1-1装盛有生长原料，所述坩埚盖1-2具有开口，所述籽晶杆2固定有籽晶3的一端通过所述开口伸入所述坩埚主体1-1的内部；所述可提供生长原料的物料块的密度小于液态的生长原料的密度，所述可提供生长原料的物料块浮在液态的生长原料液面。

根据一些优选的实施方式，所述可提供生长原料的物料块为碳化硅块。

根据一些优选的实施方式，所述可提供生长原料的物料块为供碳用石墨块，例如，如图1所示。

根据一些优选的实施方式，所述供碳用石墨块6为环形供碳用石墨块；所述环形供碳用石墨块紧贴所述坩埚主体的内壁设置，或者所述环形供碳用石墨块的外径略小于所述坩埚主体的内径。

根据一些优选的实施方式，所述装置还包括石墨块连接件7；所述坩埚主体1-1的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽5，所述石墨块连接件7的一端设置有圆环8，所述圆环8卡设在卡槽5中，所述石墨块连接件7的另一端连接有供碳用石墨块6，所述供碳用石墨块6的密度小于液态的生长原料的密度，所述供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面。

根据一些具体的实施方式，本发明提供了一种液相法生长碳化硅单晶的装置，例如，如图2所示，所述装置包括生长坩埚1、固定有籽晶3的籽晶杆2、用于加热的感应加热装置(图中仅示意出感应线圈4)、供碳用石墨块6(石墨材质)和石墨块连接件7；在本发明中，所述生长坩埚1为石墨坩埚，所述感应加热装置用于加热生长坩埚，能使得生长原料9熔化成液态，且能维持生长体系内的碳化硅单晶的生长温度；本发明对所述感应加热装置没有特别的要求，为本领域的常规设计；所述感应加热装置包括有感应线圈4(也记作加热线圈)，所述感应线圈4与籽晶杆2同轴设置，所述感应加热装置通过电磁感应将所述生长坩埚加热；所述生长坩埚1包括坩埚主体1-1和坩埚盖1-2，在本发明中，所述坩埚主体和所述坩埚盖之间例如可以通过螺纹连接的方式连接，所述坩埚主体的壁厚大于所述坩埚盖的壁厚，所述坩埚主体的外侧壁与所述坩埚盖的外侧壁平齐，所述坩埚主体的内侧壁超出所述坩埚盖的内侧壁；所述坩埚主体1-1装盛有生长原料9，所述坩埚主体1-1例如为圆筒状，所述坩埚盖1-2具有开口，所述籽晶杆2固定有籽晶3的一端通过所述开口伸入所述坩埚主体1-1的内部；所述坩埚主体1-1的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽5，所述石墨块连接件7的一端(上端)设置有圆环8，所述圆环8卡设在卡槽5中，所述石墨块连接件7的另一端(下端)连接有供碳用石墨块6，所述供碳用石墨块6的密度小于液态的生长原料9的密度，所述供碳用石墨块6悬浮(漂浮)在液态的生长原料9的液面，即在采用所述装置进行液相法生长碳化硅单晶的过程中，所述供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面，用于额外提高碳化硅单晶生长所需的碳源，即在液相法生长碳化硅单晶的过程中，坩埚主体作为主碳源，而供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面为碳化硅单晶生长持续供碳，作为次碳源，具体为：供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面并且所述供碳用石墨块与液态的生长原料相接触的部分被溶解以进行供碳，而所述供碳用石墨块未与液态的生长原料相接触的部分会继续浮在液态的生长原料液面并被持续溶解进行持续供碳；在本发明中，由于供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料的密度并辅以石墨块连接件、圆环和卡槽的设置，从而保证未溶解的供碳用石墨块能继续浮在液态生长原料的液面并被持续溶解供碳；在本发明中，所述卡槽通过所述圆环能供所述石墨块连接件贴着坩埚壁的内侧上下移动，从而带动所述供碳用石墨块贴着坩埚壁的内侧上下移动；在本发明中，所述供碳用石墨块、石墨块连接件和圆环之间例如可以一体成型而成，为一体连接。

本发明中的装置包括供碳用石墨块和石墨块连接件，并通过坩埚壁卡槽的设置可以使供碳用石墨块通过石墨块连接件贴着坩埚壁上下移动，供碳用石墨块设置稳定性好，并且由于供碳用石墨块采用石墨材质，具有低密度特性，密度小于生长原料的密度，使其可在长时生长过程中一直浮在生长原料溶液表面，而该表面即为生长界面，从而为碳化硅单晶生长提供了充足且稳定的碳源，且在该生长界面处，随着长晶过程的延长，供碳用石墨块仅是在与生长原料溶液液面相接触的位置变薄，其它设置无变化，能够保证碳化硅单晶长时生长过程中供碳距离不变，使得碳化硅长晶更加稳定，提高了碳化硅单晶生长质量，并抑制坩埚被熔穿的现象发生。本发明中的装置中的供碳用石墨块通过石墨块连接件与卡槽可以长时稳定地贴着坩埚内壁浮在液态的生长原料的液面，相比增厚石墨坩埚的坩埚壁厚度或者直接加入碳粉或者将石墨材质伸入生长原料溶液内部的供碳设置，本发明中的装置包括的供碳方式设置稳定，不存在会对生长体系内的对流产生影响的问题，不会出现由于影响对流而导致影响长晶质量的问题，本发明中的装置不仅仅是起到了提供充足的碳源的作用，更是可以缩短供碳距离且保证供碳距离不变，不会对生长体系内的对流产生影响，长晶更稳定，是一种非常稳定的供碳装置。本发明中的装置在液相法生长碳化硅单晶过程中首先缩短了供碳位置且能保证供碳距离不变，其次能够为碳化硅单晶生长过程提供充足且长时间稳定的碳源，大幅度地减少包裹物的产生，有效提高了单晶生长的质量，同时还有效地抑制了坩埚壁被熔穿，特别是有效地抑制了生长原料溶液表面处坩埚壁被熔穿的情况发生，防止了助溶液泄漏影响温场、甚至损毁单晶炉的情况发生，进而提高了单晶生长实验的重复性和稳定性。

根据一些优选的实施方式，所述石墨块连接件7贴着所述坩埚主体1-1的坩埚壁设置；和/或所述圆环8能在卡槽5中上下移动。

根据一些优选的实施方式，所述石墨块连接件7和所述圆环8采用的材质均为石墨。

根据一些优选的实施方式，所述籽晶杆2未固定有籽晶3的一端连接传动装置，所述传动装置用于控制所述籽晶杆的升降和旋转，即控制所述籽晶的升降和旋转；在本发明中，本发明对所述传动装置不做具体的限定，为本领域的常规设计，能够用于控制所述籽晶杆的升降和旋转即可；在本发明中，所述液相法生长碳化硅单晶的装置例如还可以包括用于使所述生长坩埚旋转的旋转装置；本发明对所述旋转装置的设置不做具体的限定，采用本领域的常规设置即可。

根据一些优选的实施方式，所述生长原料9包含硅和金属原料，所述金属原料为Al、Ti、Cr、Fe、Y、Yb、Pr、La、Cu、Ce、Sn、Ge、Co中的一种或多种。

本发明对所述坩埚主体的坩埚壁的厚度、所述坩埚主体底部的厚度、卡槽的深度、卡槽的宽度、所述供碳用石墨块的尺寸等参数不做具体的限定，本领域技术人员根据需要进行设计即可；在设计所述液相法生长碳化硅单晶的装置时，首先可以根据生长碳化硅单晶的尺寸确定石墨坩埚的坩埚主体尺寸，再由坩埚主体的尺寸确定坩埚盖的尺寸以及中间开口的尺寸，确保籽晶可以进入坩埚内，坩埚主体与坩埚盖均采用石墨材质，在坩埚主体顶部的坩埚壁向下设置卡槽，通过石墨块连接件和圆环的设计可使供碳石墨块贴着坩埚主体的坩埚壁进行上下移动，例如可以使得坩埚主体的壁厚为10～30mm，在所述坩埚主体的坩埚壁顶部，开设所述卡槽的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离例如为2～5mm，开设的所述卡槽的深度例如为10～50mm的槽，坩埚主体的底部厚度例如为15～40mm。

根据一些优选的实施方式，所述坩埚主体1-1的坩埚壁厚度为10～30mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm)，所述坩埚主体1-1底部的厚度为15～40mm(例如15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39或40mm)；在所述坩埚主体1-1的坩埚壁顶部，开设所述卡槽5的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离为2～5mm(例如2、2.5、3、3.5、4、4.5或5mm)；所述卡槽5的深度为10～50mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50mm)，且优选的是，在所述坩埚主体的高度方向上，所述卡槽的底部高于装盛的液态的生长原料的液面高度；本发明对开设的所述卡槽的宽度不做具体的限定，例如在所述坩埚壁的厚度方向上，使得所述卡槽不穿透所述坩埚壁的厚度且使得卡槽开设的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离为2～5mm即可，优选的是，所述卡槽的宽度例如可以为2～10mm。

根据一些优选的实施方式，所述卡槽5环设在所述坩埚主体1-1的坩埚壁内；所述卡槽5为环形卡槽，所述石墨块连接件7为环形石墨块连接件，所述供碳用石墨块6为环形供碳用石墨块；所述供碳用石墨块6的厚度为10～30mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm)，所述供碳用石墨块6的宽度为10～30mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm)。

根据一些优选的实施方式，在所述坩埚主体1-1的坩埚壁的径向方向上开设有两个相对称的卡槽5；所述供碳用石墨块6的数量为两块；所述石墨块连接件7的数量为两个；所述供碳用石墨块6的厚度为10～30mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm)，所述供碳用石墨块6的宽度为10～30mm(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30mm)，两块所述供碳用石墨块6的长度L之和小于所述坩埚主体1-1内径与所述籽晶3的直径之差。

根据一些具体的实施方式，例如，如图1至图5所示，所述感应加热装置设置在所述生长坩埚的外侧，且所述感应加热装置包括有的感应线圈4与所述籽晶杆2同轴设置，所述生长坩埚放置在所述感应线圈4的中心位置；在本发明中，采用所述液相法生长碳化硅单晶的装置进行液相法生长碳化硅单晶时，所述装置整体位于单晶炉中。

根据一些更具体的实施方式，例如，如图2所示，所述装置包括生长坩埚(石墨坩埚)1，所述石墨坩埚用于容纳液相法生长碳化硅单晶的生长原料9，并为生长提供主要碳源，所述生长坩埚包括坩埚主体1-1和坩埚盖1-2，所述坩埚主体1-1与所述坩埚盖1-2之间螺纹连接，所述坩埚主体1-1装盛有生长原料9，所述坩埚主体1-1的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽5，所述坩埚盖1-2中间位置具有开口，可供籽晶3进入；籽晶杆2，所述籽晶杆2的一端固定有籽晶3，另一端连接有传动装置，可控制籽晶3的升降及旋转；所述籽晶杆2用于固定籽晶3的一端通过所述坩埚盖1-2的开口伸入所述坩埚主体1-1的内部；用于对生长坩埚加热的感应加热装置，所述感应加热装置设置在所述生长坩埚的外侧，且所述感应加热装置包括有的感应线圈4与所述籽晶杆2同轴设置，所述生长坩埚放置在感应线圈4的中心位置；石墨块连接件7和供碳用石墨块6，所述石墨块连接件7(石墨材质)的一端设置有圆环8(石墨材质)，所述圆环8卡设在卡槽5中，所述石墨块连接件7的另一端连接有供碳用石墨块6，所述供碳用石墨块6的密度小于液态的生长原料9的密度，所述供碳用石墨块6浮在液态的生长原料9的液面，用于额外提高碳化硅单晶生长所需的碳源，所述石墨块连接件7贴着所述坩埚主体1-1的坩埚壁设置，所述圆环8能在卡槽5中上下移动，在本发明中，所述卡槽5通过所述圆环8能供所述石墨块连接件7贴着坩埚壁的内侧上下移动，从而带动所述供碳用石墨块6贴着坩埚壁的内侧上下移动。

在本发明中，所述石墨坩埚首先用于容纳液相法生长碳化硅单晶的生长原料，其次自身作为晶体生长的主要碳源，并从坩埚顶部的坩埚壁向下设置卡槽，可供石墨块连接件的圆环套在卡槽处贴着坩埚壁进行上下移动，所述供碳用石墨块通过石墨块连接件与圆环与石墨坩埚的卡槽连接，且悬挂在坩埚主体的内部，所述卡槽通过所述圆环能供所述石墨块连接件贴着坩埚壁的内侧上下移动，从而带动所述供碳用石墨块贴着坩埚壁的内侧上下移动，并且由于供碳用石墨块的密度小于液态生长原料的密度，使供碳用石墨块能够始终浮在液态的生长原料液面，在生长界面，为碳化硅单晶生长提供充足的碳源；所述籽晶杆下方粘接了籽晶，所述籽晶杆与所述籽晶例如可以通过环氧树脂或酚醛树脂粘接，可以通过坩埚盖开口进入坩埚主体内，并与液态的生长原料接触，所述籽晶杆的上方与传动装置相连接，所述籽晶杆的上端例如通过螺纹连接的方式与传动装置连接，实现籽晶的上下移动和旋转操作；所述生长原料为包含硅和至少一种金属原料的混合物，为液相法生长碳化硅单晶提供了生长所需的硅元素，并可溶解石墨坩埚以及供碳用石墨块从而为晶体生长提供碳元素。

在本发明中，采用所述液相法生长碳化硅单晶的装置进行液相法生长碳化硅单晶，在液相法生长碳化硅单晶过程中首先能够缩短了供碳距离，其次能够额外提供了充足且稳定的碳源，大幅度地减少了包裹物的产生，提高了单晶生长的质量，同时还有效地抑制了石墨坩埚壁被熔穿，防止了助溶液泄漏影响温场、甚至损毁单晶炉的情况发生，进而提高了单晶生长实验的重复性和稳定性；在本发明中，采用所述装置进行液相法生长碳化硅单晶的方法例如包括如下步骤：

(1)选择生长碳化硅单晶的生长原料，确保生长原料熔融成液态后的密度大于供碳用石墨块的密度；

(2)使生长原料装盛在生长坩埚的坩埚主体内，通过所述感应加热装置对所述生长坩埚进行加热以使生长原料熔化成液态；具体地，在坩埚主体内装盛生长原料后，组装所述液相法生长碳化硅单晶的装置，再通过所述感应加热装置对所述生长坩埚进行加热以使生长原料熔化成液态，例如将装成有生长原料的坩埚主体、固定有籽晶的籽晶杆、感应加热装置、供碳用石墨块、石墨块连接件等组装成所述液相法生长碳化硅单晶的装置，再通过所述感应加热装置对所述生长坩埚进行加热以使生长原料熔化成液态，本发明对所述液相法生长碳化硅单晶的装置的组装过程不做具体的描述，本领域技术人员可根据本发明中的所述装置的结构进行实际调整；在本发明中，例如在真空环境下使得生长原料熔融成液态；

(3)使籽晶杆上固定的籽晶下降至与液态的生长原料液面相接触进行碳化硅单晶的生长，得到碳化硅单晶；在本发明中，具体地，待温度达到工艺温度后，使籽晶杆上固定的籽晶下降至与液态的生长原料液面相接触，由于籽晶处温度低，可以使得溶液内的Si、C元素在籽晶处结晶，进行碳化硅单晶的生长，从而得到碳化硅单晶；在长晶过程中，对籽晶进行提拉并使得籽晶进行旋转运动，长晶阶段中，通过程序设置，使籽晶开始提拉和旋转，并持续运动状态进行长晶，所述提拉的速度例如可以为10～1500μm/h，所述旋转的转速例如可以为5～300rpm；在长晶过程中，供碳用石墨块悬浮在液态的生长原料液面为碳化硅单晶生长持续供碳，具体为：供碳用石墨块悬浮在液态的生长原料液面并且所述供碳用石墨块与液态的生长原料相接触的部分被溶解以进行供碳，而所述供碳用石墨块未与液态的生长原料相接触的部分会继续悬浮在液态的生长原料液面并被持续溶解进行持续供碳；在本发明中，生长结束后，冷却至室温，得到碳化硅晶锭(碳化硅单晶)。本发明对长晶过程中的参数不做具体的限定，采用本领域的常规碳化硅长晶参数均可。

在本发明中，更为具体的方法是包括：准备阶段：a.确定单晶生长尺寸，以此为依据确定石墨坩埚的坩埚主体、坩埚盖和中间开口以及供碳用石墨块的尺寸；b.选定生长原料的组分种类，并计算所选生长原料的密度，确保熔融后得到的液态生长原料的密度大于供碳用石墨块的密度；c.确定好尺寸后，将生长原料按预设配制好并放入石墨坩埚的坩埚主体中；d.将石墨坩埚放入单晶炉中，籽晶杆的一端固定籽晶，另一端与传动装置相连接。加热阶段：将单晶炉内抽真空，之后充入特殊气体，如氦气、氮气或氩气等，然后开启功率升温，使得感应加热装置加热石墨坩埚使得生长原料完全融化成溶液，由于供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料，且通过石墨块连接件、圆环和卡槽的辅助设置，会悬浮在液态生长原料的表面并被其溶解供碳，并且能够保证未溶解的供碳用石墨块继续浮在液态的生长原料液面并被持续溶解供碳；长晶阶段：长晶阶段中，通过程序设置，使籽晶开始提拉和旋转，并持续运动状态进行长晶；降温阶段：降低功率进行降温，同时将晶体与液态的生长原料拉脱并停止转动，待降温结束后打开单晶炉炉体，取出石墨坩埚，打开坩埚盖，取出生长后的晶体，即得到碳化硅单晶。

根据一些优选的实施方式，所述液相法生长碳化硅单晶的装置还包括设置在所述生长坩埚与所述感应加热装置之间的保温层，即所述生长坩埚与所述感应加热装置之间设置有保温层10，例如，如图3至图5所示；具体地，所述保温层10位于所述生长坩埚1与所述感应加热装置包括的感应线圈4之间；所述感应加热装置的感应线圈位于所述生长坩埚的外侧，且与所述籽晶杆同轴设置；所述保温层例如采用石墨毡，以层铺的方式铺设于所述生长坩埚外部，且位于所述生长坩埚和所述加热线圈之间，所述生长坩埚放置在所述感应加热装置的感应线圈内部中心位置，在本发明中，所述保温用的石墨毡可选用石墨硬毡或石墨软毡，选用石墨软毡时，其厚度例如可以为2-15mm中的整数值，在本发明中，采用石墨硬毡或石墨软毡以层铺的方式铺设形成所述保温层，优选采用石墨软毡以层铺的方式铺设形成所述保温层，本发明对所述石墨软毡不做具体的限定，采用市面上可以直接购买的产品即可；本发明对所述感应线圈中心区域的尺寸不做具体的限定，本领域技术人员可以根据需要设计，例如所述感应线圈中心区域的直径可以为350～500mm。

在本发明中，整个所述装置放置在单晶炉内，所述保温层的设置有利于起到稳定温场的作用，从而提高晶体的质量。

根据一些优选的实施方式，所述生长坩埚1选用石墨制成，所述石墨为高纯石墨，所述石墨的纯度不小于99.95％，在本发明中，在没有特别说明的情况下，所述的石墨材质均指的是纯度不小于99.95％的石墨，在没有特别说明的情况下，所述石墨为密度为1.70～2.00g/cm³的石墨。

根据一些优选的实施方式，所述保温层10包括位于所述生长坩埚1上方的上保温区域10-1、位于所述生长坩埚1四周的外围保温区域10-2以及位于所述生长坩埚1下方的下保温区域10-3；所述上保温区域设置有与所述坩埚盖的开口相对应的通孔，所述通孔用于供籽晶杆通过；具体地，所述保温层10包括位于所述生长坩埚1上方与感应线圈4之间的上保温区域10-1、位于所述生长坩埚1四周与感应线圈4之间的外围保温区域10-2以及位于所述生长坩埚1下方与感应线圈4之间的下保温区域10-3；所述外围保温区域10-2的外径例如可以为130～480mm中的整数值，具体设置根据温场需求而定，所述上保温区域10-1设置有与所述坩埚盖1-2的开口相对应的通孔，所述通孔用于供籽晶杆2通过，例如所述通孔用于供籽晶杆2未固定有籽晶3的一端通过，所述通孔的孔径例如可以为20～150mm中的整数值。

在液相法生长碳化硅单晶的过程中，温场的控制至关重要。一个稳定的温场可以有效保证晶体长时生长的环境相对稳定，并可提高实验的重复性，此外，温场的变化也会为碳化硅单晶的生长提供更多的选择性，或注重生长质量或注重生长速度等；因此，使得本发明所述的液相法生长碳化硅单晶的装置除了能够缩短供碳距离且能保证供碳距离不变，并且能够为碳化硅单晶生长过程提供充足且长时间稳定的碳源之外，使得所述装置具有多样化，可变的，且便捷性的可调节的稳定温场也具有非常重要的意义，例如可以根据需要在保证碳化硅单晶的生长质量的同时，改变碳化硅单晶的生长速度等。但现有技术的用于液相法生长碳化硅单晶的装置难以实现稳定的温场调控。

根据一些优选的实施方式，通过改变所述外围保温区域10-2的外形实现对液相法生长碳化硅单晶的温场的控制，本发明发现通过这种改变所述外围保温区域的外形方式，不仅使得装置制作便捷，可较大限度保证生产的可重复性，同时也能提高碳化硅单晶的成品率，同时也增加了装置的可塑性，通过改变保温层的外形，即可实现对温场稳定变化的控制，通过改变所述外围保温区域的外形实现对液相法生长碳化硅单晶的温场的控制，是一种全新的控制方式，这种方式可对碳化硅单晶生长的温场进行多样性调控，为碳化硅单晶生长提供了更多的可能性。

根据一些优选的实施方式，所述外围保温区域10-2的外形为圆筒形、正圆台形或倒圆台形；在一些实施例中，所述外围保温区域10-2的外形为圆筒形，例如，如图3所示；在一些实施例中，所述外围保温区域10-2的外形为正圆台形，例如，如图4所示；在一些实施例中，所述外围保温区域10-2的外形为倒圆台形，例如，如图5所示。

根据一些优选的实施方式，当所述外围保温区域10-2的外形为正圆台形时，例如，如图4所示，增加所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而增加碳化硅单晶的生长速度，从而能够晶体产能；例如，在未使用该装置时，温度恒定时晶体生长速度的范围较小，选用本装置后可将生长速度范围扩大到15-280μm/h，为晶体生长提供更多可能性；当所述外围保温区域10-2的外形为倒圆台形时，例如，如图5所示，减小所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而减小碳化硅单晶的生长速度，从而能够得到更加充足碳源供应且提高晶体质量。

特别说明的是，温场包含了温度梯度、温度、温度的具体分布等，温场的稳定可以是大温度梯度的稳定，稳定主要在于保持该状态，从开始到结束均是大温度梯度或小温度梯度，都可以说是稳定的一个温场；在本发明中，温场温度梯度变化是可以调控变化，并不是生长中途变化，对于本发明而言，在确定了外围保温区域的外形后，使得温场的梯度变化在碳化硅单晶生长前就已经定下来，然后整个生长过程是一个均衡的状态。

本发明在设计一些优选实施方案中的装置时，首先根据生长坩埚和感应线圈尺寸确定保温用石墨毡尺寸，使得所述保温层的外径略小于所述感应线圈的中心区域的尺寸，例如小于所述感应线圈中心区域直径20～60mm；再根据感应线圈高度及生长坩埚位置确定石墨毡下铺层数(生长坩埚处于感应线圈高度方向的中间位置整体感应加热程度更高；生长坩埚处于感应线圈下部区域，生长环境高温线上移，晶体生长速度较慢；生长坩埚处于感应线圈上部区域，生长环境高温线下移，晶体生长速度较快)；待确定生长坩埚与感应线圈相对位置后，例如确定所述生长坩埚位于所述感应线圈的中间位置后，具体地，例如确定所述生长坩埚处于所述感应线圈的径向方向和高度方向的中间位置，从而确定下保温区域的石墨毡的铺层数，根据实验需要，进一步调整生长坩埚外围部分石墨毡的放置，在本发明中，所述石墨毡选用层铺方式进行放置，使得生长坩埚的外围保温区域具有不同的外形，该外围保温区域的石墨毡外径小于所述感应线圈中心区域直径20～60mm，内径与生长坩埚外径持平，并且该外围保温区域的石墨毡外径可相同也可不同，外径较大区域保温能力较强，外径较小区域散热能力更优，根据实验需求决定该位置石墨毡的外径，当该部分石墨毡的外径自上而下均相同，即所述外围保温区域的外径自上而下均相同，则所述外围保温区域的外形为圆筒形，当该部分石墨毡的外径自上而下依次递增，即所述外围保温区域的外径自上而下依次递增，即所述外围保温区域的外形为正圆台形，此时由于外围保温区域的外径自上而下依次递增，能使得外围保温区域的保温能力自上而下依次增加，从而能够增加所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而增加碳化硅单晶的生长速度，从而能够晶体产能；当该部分石墨毡的外径自上而下依次递减，即所述外围保温区域的外径自上而下依次递减，即所述外围保温区域的外形为倒圆台形，此时由于外围保温区域的外径自上而下依次递减，能使得外围保温区域的保温能力自上而下依次减小，从而能够减小所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而减小碳化硅单晶的生长速度，从而得到更加充足碳源供应且提高晶体质量；在生长坩埚中装盛生长原料，并将连接好籽晶的籽晶杆放置在坩埚主体内；根据设定的温场进行上部石墨毡的放置，该部分石墨毡(上保温区域)外径小于所述感应线圈中心区域直径20～60mm，中心设置大于籽晶杆外径的通孔，可使籽晶杆从中通过；将籽晶杆与传动装置相连接，该装置可带动籽晶进行上下移动(升降)和旋转运动；在采用该优选的装置进行液相法生长碳化硅单晶时，通过真空等预处理后，开启感应线圈功率，进行加热；待到设定时间后，生长原料熔化，通过籽晶杆连接的传动装置将籽晶下放，直到籽晶与生长原料液面相接触，开始进行单晶生长；生长结束后，待温度降至室温，取出得到的生长单晶，即为碳化硅单晶。利用本发明如图4和图5所示的液相法生长碳化硅单晶的装置进行单晶生长，可以增加生长体系的温场变化，如增加温度梯度提高晶体生长速度，提高产能(如图4所示)，或减小温度梯度降低晶体生长速度，从而得到更加充足碳源供应提高晶体质量(如图5所示)。

下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。

实施例1

本实施例提供了一种液相法生长碳化硅单晶的装置，其结构示意图如图3所示；所述装置包括：

生长坩埚(石墨坩埚)，所述石墨坩埚用于容纳液相法生长碳化硅单晶的生长原料，并为生长提供主要碳源(主碳源)，所述生长坩埚为圆筒状，包括坩埚主体和坩埚盖，所述坩埚主体与所述坩埚盖之间螺纹连接，所述坩埚主体装盛有生长原料，所述坩埚主体的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽，具体地在所述坩埚主体的坩埚壁的径向方向上开设有两个相对称的卡槽，所述坩埚盖中间位置具有开口，可供籽晶进入。

籽晶杆，所述籽晶杆的一端固定有籽晶，另一端连接有传动装置，可控制籽晶的升降及旋转；所述籽晶杆用于固定籽晶(碳化硅籽晶)的一端通过所述坩埚盖的开口伸入所述坩埚主体的内部。

用于对生长坩埚加热的感应加热装置，所述感应加热装置包括有的感应线圈与所述籽晶杆同轴设置。

石墨块连接件和供碳用石墨块，所述供碳用石墨块(石墨材质)的数量为两块，所述石墨块连接件的数量为两个；所述石墨块连接件(石墨材质)的一端设置有圆环(石墨材质)，所述圆环卡设在所述卡槽中，所述石墨块连接件的另一端连接有供碳用石墨块，所述供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料的密度，所述供碳用石墨块悬浮在液态的生长原料的液面，用于额外提高碳化硅单晶生长所需的碳源，所述石墨块连接件贴着所述坩埚主体的坩埚壁设置，所述圆环能在卡槽中上下移动，所述卡槽通过所述圆环能供所述石墨块连接件贴着坩埚壁的内侧上下移动，从而带动所述供碳用石墨块贴着坩埚壁的内侧上下移动。

本实施例采用的石墨坩埚的内径150mm，外径185mm，高100mm；碳化硅籽晶为采用PVT方法生长的4H-SiC，其直径100mm，厚度为0.5mm；在所述坩埚主体的坩埚壁顶部，开设所述卡槽的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离为4mm，所述卡槽的深度为35mm，所述供碳用石墨块的厚度为20mm，所述供碳用石墨块的宽度为20mm，所述供碳用石墨块的长度为15mm，两块所述供碳用石墨块的长度之和为30mm。

本实施例中的所述液相法生长碳化硅单晶的装置还包括设置在所述生长坩埚与所述感应线圈之间的保温层；所述保温层采用石墨软毡，以层铺的方式铺设于所述生长坩埚外部，且位于所述生长坩埚和所述感应线圈之间，所述生长坩埚放置在所述感应加热装置的感应线圈内部中心位置，所述感应线圈与所述籽晶杆同轴设置；所述保温层包括位于所述生长坩埚上方与感应线圈之间的上保温区域、位于所述生长坩埚四周与感应线圈之间的外围保温区域以及位于所述生长坩埚下方与感应线圈之间的下保温区域；所述上保温区域设置有与所述坩埚盖的开口相对应的通孔，所述通孔用于供籽晶杆通过，所述上保温区域外径小于所述感应线圈中心区域直径40mm，所述下保温区域的外径也小于所述感应线圈中心区域直径40mm；所述生长坩埚位于所述感应线圈径向方向和高度方向的中间位置，外围保温区域为圆筒形，外围保温区域的外径自上而下均相等，该外围保温区域的外径小于所述感应线圈中心区域直径40mm，内径与生长坩埚的外径持平；所述感应线圈中心区域直径为420mm。

采用本实施例中的液相法生长碳化硅单晶的装置进行液相法生长碳化硅单晶，包括如下步骤：

①选择生长碳化硅单晶的生长原料，确保生长原料熔融成液态后的密度大于供碳用石墨块的密度；本实施例采用的生长原料由Si、Cr和Al混合而成，在所述生长原料中，这三个组分的质量百分含量为Si：50％，Cr：40％，Al：10％。

②使混合均匀的生长原料装盛在石墨坩埚的坩埚主体内，用分子泵将石墨坩埚抽真空到2×10^-4Pa以下后通入0.8atm的Ar气作为保护气并通过感应加热装置对石墨坩埚进行加热，以使生长原料完全熔化成液态。

③待温度达到工艺温度1800℃后，使籽晶杆上固定的籽晶下降至与液态的生长原料液面相接触，由于籽晶处温度低，可以使得溶液内的Si、C元素在籽晶处结晶，进行碳化硅单晶的生长，从而得到碳化硅单晶；在长晶过程中，对籽晶进行提拉并使得籽晶进行旋转运动，以0.02mm/h的速度缓慢提拉碳化硅籽晶，以40rpm的速度旋转碳化硅籽晶，同时以20rpm的速度反方向旋转石墨坩埚；在长晶过程中，所述石墨坩埚为生长碳化硅单晶提供碳源，作为主碳源，供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面为碳化硅单晶生长持续供碳，作为次碳源；整个长晶过程持续60h后，以3mm/h的速度向上提拉碳化硅籽晶，使生长的碳化硅单晶与生长原料的液面分离并停止旋转，并缓慢降温至室温，即整个液相法碳化硅晶体生长过程完成，得到碳化硅单晶。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶60h后，未出现石墨坩埚被熔穿的现象，生长原料液面处坩埚壁也没有出现被熔穿的现象。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，单晶生长速度为100μm/h，采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，生长速度适中，得到碳化硅单晶表面光滑平整，质量好，本实施例得到的碳化硅单晶外形图，如图6所示。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：

本实施例采用的液相法生长碳化硅单晶的装置与实施例1中液相法生长碳化硅单晶的装置采用的保温层的外形不同，本实施例中的液相法生长碳化硅单晶的装置，其结构示意图如图4所示；具体不同之处在于：外围保温区域的外形不相同；在本实施例中，所述外围保温区域为正圆台形，该外围保温区域的内径与所述生长坩埚的外径持平，该外围保温区域的外径自上而下依次递增，能使得外围保温区域的保温能力自上而下依次增加，从而能够增加所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而增加碳化硅单晶的生长速度，从而能够提高晶体产能；在本实施例中，所述外围保温区域的顶部外径大于所述生长坩埚外径40mm，所述外围保温区域的底部外径小于所述感应线圈中心区域直径40mm，所述感应线圈中心区域直径为420mm。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶60h后，未出现石墨坩埚被熔穿的现象，生长原料液面处坩埚壁也没有出现被熔穿的现象。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，单晶生长速度为140μm/h；采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，生长速度快，可以提高晶体产能，晶体整体质量适中，但相比采用实施例1中的装置，还是会造成晶体表面的光滑平整度降低，出现相对较多的小沟槽及出现台阶聚束现象，一定程度上会影响晶体质量，本实施例得到的碳化硅单晶外形图，如图7所示。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于：

本实施例采用的液相法生长碳化硅单晶的装置与实施例1中液相法生长碳化硅单晶的装置采用的保温层的外形不同，本实施例中的液相法生长碳化硅单晶的装置，其结构示意图如图5所示；具体不同之处在于：外围保温区域的外形不相同；在本实施例中，外围保温区域为倒圆台形，该外围保温区域的内径与所述生长坩埚的外径持平，该外围保温区域的外径自上而下依次递减，能使得外围保温区域的保温能力自上而下依次减小，从而能够减小所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而减小碳化硅单晶的生长速度，从而得到更加充足碳源供应且提高晶体质量；在本实施例中，所述外围保温区域的顶部外径小于感应线圈中心区域直径40mm，所述外围保温区域的底部外径大于所述生长坩埚外径40mm，所述感应线圈中心区域直径为420mm。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶60h后，未出现石墨坩埚被熔穿的现象，生长原料液面处坩埚壁也没有出现被熔穿的现象。

采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，单晶生长速度为60μm/h；采用本实施例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，生长速度较慢，得到碳化硅单晶表面非常光滑平整，质量非常好，无宏观可见缺陷存在，相比采用实施例1中的装置，本实施例得到的碳化硅单晶的质量进一步提升，本实施例得到的碳化硅单晶外形图，如图8所示。

本发明还将实施例1至实施例3中的装置在不放置生长原料的情况下，将装置装配好并进行加热，进行了温度梯度的测试，测试方法为：测温点位于籽晶背面，将籽晶通过传动装置移动至距坩埚主体底部1cm位置处，通过测温设备得到此处稳定温度，并控制该点处温度为1800℃，之后移动籽晶，分别得到2cm-3cm-4cm-5cm-6cm处的温度数值，经作图计算得到各实施例温场下温度梯度曲线，结果如图9所示；由图9的结果可以得出，实施例1温场下温度梯度约为20℃/cm，实施例2温场下温度梯度约为28℃/cm，实施例3温场下温度梯度约为14℃/cm；当温度梯度增加时，晶体生长速度加快，晶体质量会相对较差；而当温度梯度降低时，晶体生长速度降低，但晶体质量明显变好。

对比例1

本对比例采用的液相法生长碳化硅单晶的装置不包括供碳用石墨块、石墨块连接件和圆环，且所述生长坩埚的坩埚壁未开设卡槽，即本对比例中的所述装置包括：

生长坩埚(石墨坩埚)，所述石墨坩埚用于容纳液相法生长碳化硅单晶的生长原料，并为生长提供碳源，所述生长坩埚包括坩埚主体和坩埚盖，所述坩埚主体与所述坩埚盖之间螺纹连接，所述坩埚主体装盛有生长原料，所述坩埚盖中间位置具有开口，可供籽晶进入。

籽晶杆，所述籽晶杆的一端固定有籽晶，另一端连接有传动装置，可控制籽晶的升降及旋转；所述籽晶杆用于固定籽晶(碳化硅籽晶)的一端通过所述坩埚盖的开口伸入所述坩埚主体的内部。

用于对生长坩埚加热的感应加热装置，且所述感应加热装置包括有的感应线圈与所述籽晶杆同轴设置。

保温层，所述保温层设置在所述生长坩埚与所述感应线圈之间，所述保温层选用石墨硬毡，根据生长坩埚确定保温用石墨硬毡尺寸，依据该尺寸进行石墨硬毡加工，使得石墨硬毡包裹在所述生长坩埚的外侧作为保温层，本对比例中的保温层由石墨硬毡整体成型加工而成，将生长坩埚及保温层均放置在炉内，且使得所述生长坩埚位于感应线圈的中心位置(在感应线圈的径向方向和高度方向均是处于中心位置)，所述保温层的外径略小于所述感应线圈的中心区域的尺寸，所述保温层的外径小于所述感应线圈中心区域直径40mm。本对比例采用的石墨坩埚的内径150mm，外径185mm，高100mm；碳化硅籽晶为采用PVT方法生长的4H-SiC，其直径100mm，厚度为0.5mm。

采用本对比例中的液相法生长碳化硅单晶的装置进行液相法生长碳化硅单晶，包括如下步骤为：

①选择生长碳化硅单晶的生长原料，本对比例采用的生长原料由Si、Cr和Al混合而成，在所述生长原料中，这三个组分的质量百分含量为Si：50％，Cr：40％，Al：10％。

②使混合均匀的生长原料装盛在石墨坩埚的坩埚主体内，用分子泵将石墨坩埚内抽真空到2×10^-4Pa以下后通入0.8atm的Ar气作为保护气并通过感应加热装置对石墨坩埚进行加热，以使生长原料完全熔化成液态。

③待温度达到工艺温度1800℃后，使籽晶杆上固定的籽晶下降至与液态的生长原料液面相接触，由于籽晶处温度低，可以使得溶液内的Si、C元素在籽晶处结晶，进行碳化硅单晶的生长，从而得到碳化硅单晶；在长晶过程中，对籽晶进行提拉并使得籽晶进行旋转运动，以0.02mm/h的速度缓慢提拉碳化硅籽晶，以40rpm的速度旋转碳化硅籽晶，同时以20rpm的速度反方向旋转石墨坩埚；整个长晶过程持续60h后，以3mm/h的速度向上提拉碳化硅籽晶，使生长的碳化硅单晶与生长原料的液面分离并停止旋转，并缓慢降温至室温，即整个液相法碳化硅晶体生长过程完成，得到碳化硅单晶。

对比例1选用了目前常见的液相法生长碳化硅单晶的装置，本对比例中的装置在确定生长坩埚尺寸后，其保温及温场均以此为基准制备，一经制备无法修改，仅能通过温度的调整与受热体于感应线圈内位置确定温场，灵活性差，限制了液相法晶体生长的研发能力；并且由于该装置采用标准石墨坩埚进行碳化硅单晶生长，随着生长的进行，由于对流、扩散的双重作用，将坩埚易于溶碳区域的碳进行溶解传输，从而晶体持续生长。易于溶碳区域包括高温区域及利于扩散的生长界面区域，而生长界面区域坩埚溶解后，单晶生长面距离碳源距离变远，从而导致供碳量的供应不足，造成溶液包裹等缺陷。更有甚者，生长液面区域坩埚被溶穿，造成溶液的外泄，影响温场的同时有一定概率流至单晶炉内，造成设备的损毁。

采用本对比例中的装置进行碳化硅单晶生长60h，出现了生长坩埚(石墨坩埚)生长界面区域被明显熔穿的现象，如图10所示。

采用本对比例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，单晶生长速度为92μm/h；采用本对比例中的装置进行液相法生长碳化硅单晶，生长速度适中，但由于扩散传质的不足，晶体缺碳导致表面明显出现很多大沟槽，质量差，本对比例得到的碳化硅单晶外形图，如图11所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图1至5所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连等。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解该术语在本发明中的具体含义。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (20)

1.一种液相法生长碳化硅单晶的装置，其特征在于，所述装置包括生长坩埚、固定有籽晶的籽晶杆、用于加热的感应加热装置和可提供生长原料的物料块；

所述生长坩埚包括坩埚主体和坩埚盖，所述坩埚主体装盛有生长原料，所述坩埚盖具有开口，所述籽晶杆固定有籽晶的一端通过所述开口伸入所述坩埚主体的内部；

所述可提供生长原料的物料块的密度小于液态的生长原料的密度，所述可提供生长原料的物料块浮在液态的生长原料液面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述可提供生长原料的物料块为碳化硅块。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述可提供生长原料的物料块为供碳用石墨块。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述供碳用石墨块为环形供碳用石墨块；

所述环形供碳用石墨块紧贴所述坩埚主体的内壁设置，或者所述环形供碳用石墨块的外径略小于所述坩埚主体的内径。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括石墨块连接件；

所述坩埚主体的坩埚壁从顶部向下开设有卡槽，所述石墨块连接件的一端设置有圆环，所述圆环卡设在卡槽中，所述石墨块连接件的另一端连接有供碳用石墨块，所述供碳用石墨块的密度小于液态的生长原料的密度，所述供碳用石墨块浮在液态的生长原料液面。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述石墨块连接件贴着所述坩埚主体的坩埚壁设置；和/或

所述圆环能在卡槽中上下移动。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述石墨块连接件和所述圆环采用的材质均为石墨。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述籽晶杆未固定有籽晶的一端连接传动装置，所述传动装置用于控制所述籽晶杆的升降和旋转。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述生长原料包含硅和金属原料，所述金属原料为Al、Ti、Cr、Fe、Y、Yb、Pr、La、Cu、Ce、Sn、Ge、Co中的一种或多种。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述坩埚主体的坩埚壁厚度为10～30mm，所述坩埚主体底部的厚度为15～40mm；

在所述坩埚主体的坩埚壁顶部，开设所述卡槽的起始位置距离所述坩埚壁内侧的距离为2～5mm；

所述卡槽的深度为10～50mm。

11.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述卡槽环设在所述坩埚主体的坩埚壁内；

所述卡槽为环形卡槽，所述石墨块连接件为环形石墨块连接件，所述供碳用石墨块为环形供碳用石墨块。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：

所述供碳用石墨块的厚度为10～30mm，所述供碳用石墨块的宽度为10～30mm。

13.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

在所述坩埚主体的坩埚壁的径向方向上开设有两个相对称的卡槽；

所述供碳用石墨块的数量为两块；

所述石墨块连接件的数量为两个。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：

所述供碳用石墨块的厚度为10～30mm，所述供碳用石墨块的宽度为10～30mm，两块所述供碳用石墨块的长度之和小于所述坩埚主体内径与所述籽晶的直径之差。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于：

所述生长坩埚与所述感应加热装置之间设置有保温层。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于：

所述保温层包括位于所述生长坩埚上方的上保温区域、位于所述生长坩埚四周的外围保温区域以及位于所述生长坩埚下方的下保温区域；

所述上保温区域设置有与所述坩埚盖的开口相对应的通孔，所述通孔用于供籽晶杆通过。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于：

通过改变所述外围保温区域的外形实现对液相法生长碳化硅单晶的温场的控制。

18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于：

所述外围保温区域的外形为圆筒形、正圆台形或倒圆台形。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于：

当所述外围保温区域的外形为正圆台形时，增加所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而增加碳化硅单晶的生长速度，从而提高晶体产能。

20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于：

当所述外围保温区域的外形为倒圆台形时，减小所述籽晶和所述生长原料的液面之间的温度梯度，进而减小碳化硅单晶的生长速度，从而提高晶体质量。